1、光電傳感器調研報告前言：在科學技術高速開展的現代社會中，人類已經入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產過程中，主要依靠檢測技術對信息經獲取、篩選和傳輸，來實現制動控制，自動調節，目前我國已將檢測技術列入優先開展的科學技術之一。 由于微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的開展，使得光電傳感器的應用與日俱增。這種傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數多、反響快以及結構簡單,形式靈活多樣等優點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用，它一種是以光電效應為理論根底，由光電材料構成的器件。一、理論根底光電效應 光電效應一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。光照在照在光電材

2、料上，材料外表的電子吸收的能量，假設電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料外表而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現象成為外光電效應。根據愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一局部用于克服正離子的束縛，另一局部轉換成電子能量。根據能量守恒定律：式中，m為電子質量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。由上式可知，要使光電子逸出陰極外表的必要條件是h>A

3、。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不管光強多大，都不會產生光電子發射，此頻率限稱為“紅限。相應的波長為 式中，c為光速，A為逸出功。 當受到光照射時，吸收電子能量，其電阻率降低的導電現象稱為光導效應。它屬于內光電效應。當光照在半導體上是，假設電子的能量大與半導體禁帶的能級寬度，那么電子從價帶躍遷到導帶，形成電子，同時，價帶留下相應的空穴。電子、空穴仍留在半導體內，并參與導電在外電場作用下形成的電流。除金屬外，多數絕緣體和半導體都有光電效應，半導體尤為顯著，根據光導效應制造的光電元件有固有入射光頻率，當光照在光電阻上，

4、其導電性增強，電阻值下降。光強度愈強，其阻值愈小，假設停止光照，其阻值恢復到原阻值。半導體受光照射產生電動勢的現象稱為光生伏特效應，據此效應制造的光電器件有光電池，光電二極管，管控晶閘管和光耦合器等。二、光電傳感器原理光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的，它的根本結構如圖6，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三局部組成.光電檢測方法具有精度高,反響快,非接觸等優點,而且可測參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。光電傳感器一般由三局部構

5、成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路，發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維，三角反射板是結構牢固的發射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發射角，使光束幾乎是從一根發射線，經過反射后，還是從這根反射線返回。光敏二極管是最常見的光

6、傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態下，并與負載電阻相串聯，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小µA，稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發，產生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三

7、級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極發射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區面積做得很大，發射區較小，入射光主要被基區吸收。工作時集電結反偏，發射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=1+Icbo很小，比一般三極管的穿透電流還小；當有光照時，激發大量的電子-空穴對，使得基極產生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=1+Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 三、光電傳感器代表生產代表生產商：新光電子株式會社創立于1974年，專業致力于光電傳感器、發光受光元器件等光電半導體的研發、生產和銷售

8、。新光電子經過38年的開展和壯大，積累了豐富的專業技術經驗，取得業界和廣闊客戶的一致認可。現公司已經擁有一大批經驗豐富的光學電子專業人才；擁有1000多的無塵車間和先進的研發、生產和檢驗設備。并在廣東省珠海市設立獨資子公司：珠海日嘉新光電子。為確保每個產品的品質，完全實施日系管理模式，執行特有的禁止返修工藝。新光電子產品廣泛應用在金融設備，交通設備，醫療設備，OA設備，游戲機，自動化等行業設備。局部應用機器設備：金融金錢機器：ATM,自動取款機，自動存取款一體機，自動售貨機，各種自助終端設備等。交通機器：地鐵、高鐵、鐵路等的票務機器設備，自動售票機，自動檢票機，站臺平安門等。游戲機：推幣機，瑪

9、麗機，嘉年華，投幣器，退幣器等。辦公機器：條碼打印機， 機，復印機，打印機等。型號：KI,KB,KR,KP,KA等系列 種類：光電 封裝形式：防塵，PCB直插，連接頭，軟線等形式 感性距離：1mm2000mm 技術參數查詢： :/ shinkoh-elecs.jp 品牌：SHINKOH ELECS 輸出信號：模擬型，數字型施密特電路，抗干擾型等四傳感器指標技術指標：傳感器具有防水、抗凝、精確度高、穩定性好、壽命長、適合野外使用等優良性能。數據采集終端使用嵌入式操作系統及無線通信收發模塊集成，采用模塊化設計易擴展，適應多種類型傳感器，可以定時休眠和喚醒，可同時滾存數百組數據。 信息數據傳輸采用2

10、.4G頻IEEE802.15.4傳輸協議完成區域自動智能組網傳輸，采用GPRS完成超遠距傳輸和互聯網對接傳輸。能源配置有電池、太陽能和電網等多種能源支持方式。管理接收主控具有USB口或串口接收環境信息數據，可以擴展終端機和傳感器，可以增加和修改傳感器公式，可以支持多品種傳感器，具有網絡接口可以進行互聯網應用，可以數據導出，有顯示接口可以接液晶顯示屏，有硬盤擴展接口可以增加存儲容量，有大型數據庫系統可以存儲和管理大流量數據。 智能控制器采用模塊化設計，具有與主控數據交互功能，能完成多通道、多類型設備的管理和控制，具有人機交互功能，能完成人工控制管理，具有平安工作保障功能，使用嵌入式軟件完成可選、

11、可修訂的多階段控制系統。性能指標：1.靈敏度：指沿著傳感器測量軸方向對單位振動量輸入x 可獲得的電壓信號輸出值u，即s=u/x。與靈敏度相關的一個指標是分辨率，這是指輸出電壓變化量u 可加識別的最小機械振動輸入變化量x 的大小為了測量出微小的振動變化，傳感器應有較高的靈敏度。 2.使用頻率范圍：指靈敏度隨頻率而變化的量值不超出給定誤差的頻率區間。其兩端分別為頻率下限和上限。為了測量靜態機械量，傳感器應具有零頻率響應特性。傳感器的使用頻率范圍，除和傳感器本身的頻率響應特性有關外，還和傳感器安裝條件有關主要影響頻率上限。 3.動態范圍：動態范圍即可測量的量程，是指靈敏度隨幅值的變化量不超出給定誤差

12、限的輸入機械量的幅值范圍。在此范圍內，輸出電壓和機械輸入量成正比，所以也稱為線性范圍。動態范圍一般不用絕對量數值表示，而用分貝做單位，這是因為被測振值變化幅度過大的緣故，以分貝級表示使用更方便一些。 4.相移：指輸入簡諧振動時，輸出同頻電壓信號相對輸入量的相位滯后量。相移的存在有可能使輸出的合成波形產生崎變，為防止輸出失真，要求相移值為零或，或者隨頻率成正比變化。五、光電元件 根據外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。1. 光電管 光電管的種類繁多，典型的產品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結構如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封

13、裝在抽成真空的玻殼內，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬外表束縛而逸出，形成電子發射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬外表后的初始動能為光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限的前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，稱為光電流。此時假設光強增大，轟擊陰極的光子數增多，單位時間內發射的光電子數也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強成函數關系，從而實現光電轉換

14、。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極外表逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產生電流I，在負載電阻 上的電壓光電管的光電特性如圖3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性根本是一條直線。圖3光電管的光電特性圖2光電管測量電路圖1光電光結構示意圖 2. 光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管結構示意圖。圖4光電倍增結構示意圖從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設置了假設干個二次發射電極，D1、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通常為1015級。光電倍增

15、管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發射，一個入射的光電子可以產生多個二次電子， D1發射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產生二次電子發射，這樣逐級產生的二次電子發射，使電子數量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。假設倍增電極有n級，各級的倍增率為 ，那么光電倍增管的倍增率可以認為是N ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內具有良好的線性關系。光電倍增管的

16、這個特點，使它多用于微光測量。 3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數如下：1暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。六光電傳感器特性1、伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區。圖5光敏電阻的伏安特性2

17、、光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。3、光譜特性 入射光波長不同時，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長與光敏器件相對靈敏度間的關系稱為光譜特性。使用時可根據被測光的波長范圍，選擇不同材料的光敏電阻。4、響應時間 光敏電阻受光照后，光電流需要經過一段時間上升時間才能到達其穩定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經過一段時間下降時間才能恢復到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻上升響應時間和下降響應時間約為10-110-3s，即頻率響應為10Hz1000Hz，可見光敏電阻不能用在要求快速響應

18、的場合，這是光敏電阻的一個主要缺點。5、溫度特性 光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電流增大，靈敏度下降，這也是光敏電阻的另一缺點。6、頻率特性 頻率特性是指外加電壓和入射光強一定是，光電流I與入射光的調制頻率f之間的關系，光電二極管的頻率特性較光電三極管的頻率特性好，這是由于光電三極管的基射結存在電容和載流子基區需要時間的緣故。利用內光電效率原理制造的光電元件的頻率特性最差，這是由于俘獲載流子和釋放電荷都需要一定時間的緣故。七、光電傳感器的應用 LED發光二極管：發光二極管最早出現在19世紀60年代， LED就是一種半導體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當給LED通電流時，它

19、會發光。由于LED是固態的，所以它能延長傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不象白熾燈那樣，LED抗震動抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED所發出的光能只相當于同尺寸白熾燈所產生光能的一局部。激光二極管除外，它與普通LED的原理相同，但能產生幾倍的光能，并能到達更遠的檢測距離。LED能發射人眼看不到的紅外光，也能發射可見的綠光、黃光、紅光、藍光、藍綠光或白光。經調制的LED傳感器：1970年，人們發現LED還有一個比壽命長更好的優點，就是它能夠以非常快的速度來開關，開關速度可到達KHz。將接收器的放大器調制到發射器的調制頻率，那么它就只能對以此頻率振

20、動的光信號進行放大。我們可以將光波的調制比喻成無線電波的傳送和接收。將收音機調到某臺，就可以忽略其他的無線電波信號。經過調制的LED發射器就類似于無線電波發射器，其接收器就相當于收音機。人們常常有一個誤解：認為由于紅外光LED發出的紅外光是看不到的，那么紅外光的能量肯定會很強。經過調制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長無太大關系。一個LED發出的光能很少，經過調制才將其變得能量很高。一個未經調制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段，使接收器只能接收到發射器發出的光，才能使其能量變得很高。相比之下，經過調制的接收器能忽略周圍的光，只對自己的光或具有相同調制頻率的光做出響應。在早期

21、，色標傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池接收器，直到后來創造了高效的可見光LED。現在，多數的色標傳感器都是使用經調制的各種顏色的可見光LED發射器。經調制的傳感器往往犧牲了響應速度以獲取更長的檢測距離，這是因為檢測距離是一個非常重要的參數。未經調制的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非常快的物體，這些場合要求的響應速度都非常快。但是，現在高速的調制傳感器也可以提供非常快的響應速度，能滿足大多數的檢測應用。超聲波傳感器：聲波傳感器所發射和接收的聲波，其振動頻率都超過了人耳所能聽到的范圍。它是通過計算聲波從發射，經被測物反射回到接收器所需要的時間，來判斷物體的位置。對于對射式超聲波傳感器，如果物體

22、擋住了從發射器到接收器的聲波，那么傳感器就會檢測到物體。與光電傳感器不同，超聲波傳感器不受被測物透明度和反光率的影響，因此在許多使用超聲波傳感器的場合就不適合使用光電傳感器來檢測。光纖：安裝空間非常有限或使用環境非常惡劣的情況下，我們可以考慮使用光纖。光纖與傳感器配套使用，是無源元件，另外，光纖不受任何電磁信號的干擾，并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在這兩種材料的邊界處入射角在一定范圍內，被全部反射回來。根據光學原理，所有光束都可以由光纖來傳輸。兩條入射光束入射角在接受角以內沿

23、光纖長度方向經屢次反射后，從另一端射出。另一條入射角超出接受角范圍的入射光，損失在金屬外皮內。這個接受角比兩倍的最大入射角略大，這是因為光纖在從空氣射入密度較大的光纖材料中時會有輕微的折射。光在光纖內部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響彎曲半徑要大于最小彎曲半徑。大多數光纖是可彎曲的，很容易安裝在狹小的空間。玻璃光纖：玻璃光纖由一束非常細直徑約50m的玻璃纖維絲組成。典型的光纜由幾百根單獨的帶金屬外皮玻璃光纖組成，光纜外部有一層護套保護。光纜的端部有各種尺寸和外形，并且澆注了鞏固的透明樹脂。檢測面經過光學打磨，非常平滑。這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率。玻璃光纖內的光纖束可以是緊湊

24、布置的，也可隨意布置。緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫療設備或管道鏡上。每一根光纖從一端到另一端都需要精心布置，這樣才能在另一端得到非常清晰的圖像。由于這種光纖費用非常昂貴并且多數的光纖應用場合并不需要得到一個非常清晰的圖像，所以多數的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的，這種光纖就非常廉價了，當然其所得到的圖像也只是一些光。玻璃光纖外部的保護層通常是柔性的不銹鋼護套，也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纖可用于特殊的空間或環境，其檢測頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測要求。玻璃光纖鞏固并且性能可靠，可使用在高溫和有化學成分的環境中，它可以傳輸可見光和紅外光。常見的問題就是由于經常彎曲或彎曲半徑

25、過小而導致玻璃絲折斷，對于這種應用場合，我們推薦使用塑料光纖。塑料光纖：塑料光纖由單根的光纖束典型光束直徑為0.25到1.5mm構成，通常有PVC外皮。它能安裝在狹小的空間并且能彎成很小的角度。多數的塑料光纖其檢測頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱形，另一端未做加工以方便客戶根據使用將其剪短。邦納公司的塑料光纖都配有一個光纖刀。不像玻璃光纖，塑料光纖具有較高的柔性，帶防護外皮的塑料光纖適于安裝在往復運動的機械結構上。塑料光纖吸收一定波長的光波，包括紅外光，因而塑料光纖只能傳輸可見光。與玻璃光纖相比，塑料光纖易受高溫，化學物質和溶劑的影響。對射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有“單根的對射式，也有“

26、分叉的直反式。單根光纖可以將光從發射器傳輸到檢測區域，或從檢測區域傳輸到接收器。分叉式的光纖有兩個明顯的分支，可分別傳輸發射光和接收光，使傳感器既可以通過一個分支將發射光傳輸到檢測區域，同時又通過另一個分支將反射光傳輸回接收器。直反式的玻璃光纖，其檢測頭處的光纖束是隨意布置的。直反式的塑料光纖，其光纖束是沿光纖長度方向一根挨一根布置。光纖的特殊應用：由于光纖受使用環境影響小并且抗電磁干擾，因而能被用在一些特殊的場合，如：適用于真空環境下的真空傳導光纖VFT和適用于爆炸環境下的光纖。在這兩個應用中，特制的光纖安裝在特殊的環境中，經一個法蘭引出來接到外面的傳感器上，光纖和法蘭的尺寸多種多樣。本安型

27、傳感器，如NAMUR型的傳感器，可直接用在特殊或有爆炸性危險的環境中。八、光電傳感器的選型光電傳感器選型要素：1、被測物到光電傳感器的距離2、被測物運動的距離，即量程，注意與上1條略有區別3、背景/前景 與被測物之間的高度差，實際即需要實現的分辨率4、被測物外表是否光滑、反光、吸光如黑色海綿5、供電電壓、輸出方式、接線方式、IP等級、安裝方式、外形、特殊要求如防爆、防油等等例：光電傳感器，要求：1圓柱形的 2交流 3檢測距離10CM左右選型：【型號】： E3F-DS10Y1【品名】：光電開關 漫反射型【外形】：直徑18毫米圓柱體【檢測距離】：10厘米CM)【檢測物體】：不透明體【工作電壓】：交

28、流90-250VAC【輸出方式】：交流二線常開【輸出電流】：300毫安mA)【外殼材料】：塑料ABS九、調研報告總結隨著科學技術的開展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應用新材料、新技術制造性能更優越的光電元件。例如今天光電傳感器的雛形，是一種小的金屬圓柱形設備,發射器帶一個校準鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上在金屬圓筒內有一個小的白熾燈作為光源的一種鞏固的白熾燈傳感器。由于這種傳感器存在各種缺陷，逐漸在測量領域銷聲匿跡。到了光纖出現，因為它的各種優越的性能，于是出現了光纖與傳感器配套使用的無源元件,另外光纖不受任何電磁